NAT地址转换是如何工作的？

分析阐述NAT地址转换的原理

一、NAT简介

网络地址转换（Network Address Translation，简称NAT）是一种在数据包通过流量路由设备传输时，通过修改数据包IP报头中的网络地址信息，将一个IP地址空间重新映射为另一个IP地址空间的方法，该技术最初用作快捷方式，以避免在移动网络时需要重新寻址每个主机，在IPv4地址耗尽的情况下，它已成为保护全局地址空间的流行且必不可少的工具，NAT网关的一个Internet可路由IP地址可用于整个专用网络。

二、NAT的分类

NAT有三种类型：静态NAT、动态地址NAT和网络地址端口转换NAPT，网络地址端口转换NAPT是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上，它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面，NAPT与动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的端口号。

三、NAT的工作原理

NAT的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换，具体过程如下：

1、地址转换：当私有网主机向公共网主机发送IP包时，NAT网关会将IP包的源IP转换为NAT网关的公共IP并转发到公共网，IP包中已经不含任何私有网IP的信息，由于IP包的源IP已经被转换成NAT网关的公共IP，Web Server发出的响应IP包将被发送到NAT网关。

2、连接跟踪：NAT网关在收到响应包后，需要判断将数据包转发给谁，如果子网内仅有少量客户机，可以用静态NAT手工指定；但如果内网有多台客户机，并且各自访问不同网站，这时候就需要连接跟踪，NAT网关会在收到请求包后做源地址转换，并将该连接记录保存下来，当NAT网关收到服务器来的响应包后，查找Track Table，确定转发目标，做目的地址转换，转发给客户机。

3、端口转换：当有多个客户机同时访问同一服务器时，仅靠源地址转换无法区分不同的客户机，NAT网关会在Connection Track中加入端口信息加以区分，如果两客户机访问同一服务器的源端口不同，那么在Track Table里加入端口信息即可区分，如果源端口正好相同，那么在执行SNAT和DNAT的同时对源端口也要做相应的转换。

四、NAT的应用

NAT主要可以实现以下几个功能：

数据包伪装：可以将内网数据包中的地址信息更改成统一的对外地址信息，不让内网主机直接暴露在因特网上，保证内网主机的安全，该功能也常用来实现共享上网。

端口转发：当内网主机对外提供服务时，由于使用的是内部私有IP地址，外网无法直接访问，需要在网关上进行端口转发，将特定服务的数据包转发给内网主机。

负载平衡：目的地址转换NAT可以重定向一些服务器的连接到其他随机选定的服务器。

失效终结：目的地址转换NAT可以用来提供高可靠性的服务，如果一个系统有一台通过路由器访问的关键服务器，一旦路由器检测到该服务器当机，它可以使用目的地址转换NAT透明的把连接转移到一个备份服务器上。

透明代理：NAT可以把连接到因特网的HTTP连接重定向到一个指定的HTTP代理服务器以缓存数据和过滤请求。

NAT技术通过修改IP数据报文中的IP地址信息，实现了私有网络与公共网络之间的通信，它不仅有效地解决了公网IP地址不足的问题，还提高了网络安全性，在实际应用中，NAT广泛应用于家庭路由器、企业网络出口以及数据中心等场景，随着IPv6的普及和应用，虽然NAT的需求可能会逐渐减少，但目前仍然是网络架构中不可或缺的一部分。

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